Pengantar Dioda Dan Penyearah

Semua Tentang Dioda

Sebuah dioda adalah perangkat listrik yang memungkinkan arus untuk bergerak melaluinya dalam satu arah dengan lebih mudah daripada yang lain. Jenis dioda yang paling umum dalam desain sirkuit modern adalah semikonduktor dioda, meskipun ada teknologi dioda lainnya. Dioda semikonduktor dilambangkan dalam diagram skematik seperti gambar di bawah ini. Istilah "dioda" biasanya digunakan untuk perangkat sinyal kecil, I 1 A. Istilah penyearah digunakan untuk perangkat listrik, I> 1 A.

Simbol skema dioda semikonduktor:Panah menunjukkan arah aliran arus.

Ketika ditempatkan di sirkuit lampu baterai sederhana, dioda akan memungkinkan atau mencegah arus melalui lampu, tergantung pada polaritas tegangan yang diberikan. (gambar di bawah)

Operasi dioda:(a) Aliran arus diizinkan; dioda diberi bias maju. (b) Aliran arus dilarang; dioda bias terbalik.

Ketika polaritas baterai sedemikian rupa sehingga arus dibiarkan mengalir melalui dioda, dioda dikatakan bias maju . Sebaliknya, ketika baterai “mundur” dan dioda memblokir arus, dioda dikatakan bias mundur . Dioda dapat dianggap seperti sakelar:“tertutup” ketika diberi bias maju dan “terbuka” ketika diberi bias mundur.

Arah "panah" simbol dioda menunjuk ke arah arus dalam aliran konvensional. Konvensi ini berlaku untuk semua semikonduktor yang memiliki "panah" dalam skema mereka. Kebalikannya benar ketika aliran elektron digunakan, di mana arah arus berlawanan dengan "panah".

Analogi Katup Periksa Hidraulik

Perilaku dioda analog dengan perilaku perangkat hidrolik yang disebut katup periksa . Katup periksa memungkinkan aliran fluida melaluinya hanya dalam satu arah seperti pada gambar di bawah ini.

Analogi katup periksa hidraulik:(a) Aliran arus diizinkan. (b) Aliran arus dilarang.

Katup periksa pada dasarnya adalah perangkat yang dioperasikan dengan tekanan:mereka membuka dan memungkinkan aliran jika tekanan di atasnya adalah "polaritas" yang benar untuk membuka gerbang (dalam analogi yang ditunjukkan, tekanan fluida lebih besar di kanan daripada di kiri). Jika tekanan "polaritas" berlawanan, perbedaan tekanan di katup periksa akan menutup dan menahan gerbang sehingga tidak ada aliran yang terjadi.

Seperti katup periksa, dioda pada dasarnya adalah perangkat yang dioperasikan dengan "tekanan" (dioperasikan dengan tegangan). Perbedaan penting antara bias maju dan bias mundur adalah polaritas tegangan yang dijatuhkan pada dioda. Mari kita lihat lebih dekat rangkaian lampu dioda baterai sederhana yang ditunjukkan sebelumnya, kali ini menyelidiki penurunan tegangan di berbagai komponen pada gambar di bawah.

Pengukuran tegangan rangkaian dioda:(a) Bias maju. (b) Bias terbalik.

Konfigurasi Dioda Bias Maju

Sebuah dioda bias maju menghantarkan arus dan menjatuhkan tegangan kecil di atasnya, meninggalkan sebagian besar tegangan baterai turun di lampu. Jika polaritas baterai dibalik, dioda menjadi bias mundur, dan menjatuhkan semua dari tegangan baterai meninggalkan tidak ada untuk lampu. Jika kita menganggap dioda sebagai sakelar penggerak sendiri (tertutup dalam mode bias maju dan terbuka dalam mode bias mundur), perilaku ini masuk akal. Perbedaan yang paling mendasar adalah bahwa dioda menurunkan tegangan lebih banyak saat melakukan konduksi daripada sakelar mekanis rata-rata (0,7 volt versus puluhan milivolt).

Penurunan tegangan bias maju yang ditunjukkan oleh dioda ini disebabkan oleh aksi daerah penipisan yang dibentuk oleh sambungan P-N di bawah pengaruh tegangan yang diberikan. Jika tidak ada tegangan yang diterapkan melintasi dioda semikonduktor, daerah penipisan tipis ada di sekitar daerah sambungan P-N, mencegah aliran arus. (Gambar di bawah (a)) Daerah penipisan hampir tidak memiliki pembawa muatan yang tersedia, dan bertindak sebagai isolator:

Representasi dioda:model PN-junction, simbol skema, bagian fisik.

Simbol skema dioda ditunjukkan pada gambar di atas (b) sedemikian rupa sehingga anoda (ujung menunjuk) sesuai dengan semikonduktor tipe-P di (a). Batang katoda, ujung yang tidak menunjuk, di (b) sesuai dengan bahan tipe-N di (a). Perhatikan juga bahwa garis katoda pada bagian fisik (c) sesuai dengan katoda pada simbol.

Konfigurasi Dioda Bias Terbalik

Jika tegangan bias balik diterapkan di persimpangan P-N, daerah penipisan ini meluas, selanjutnya menahan arus apa pun yang melaluinya. (Gambar di bawah)

Wilayah penipisan meluas dengan bias terbalik.

Tegangan Maju

Sebaliknya, jika tegangan bias maju diterapkan di persimpangan P-N, daerah penipisan runtuh menjadi lebih tipis. Dioda menjadi kurang resistif terhadap arus yang melaluinya. Agar arus berkelanjutan melalui dioda; meskipun, daerah penipisan harus sepenuhnya runtuh oleh tegangan yang diberikan. Ini membutuhkan tegangan minimum tertentu untuk dicapai, yang disebut tegangan maju seperti yang diilustrasikan pada gambar di bawah.

Meningkatkan bias maju dari (a) ke (b) mengurangi ketebalan daerah penipisan.

Untuk dioda silikon, tegangan maju tipikal adalah 0,7 volt, nominal. Untuk dioda germanium, tegangan majunya hanya 0,3 volt. Konstituen kimia sambungan P-N yang terdiri dari dioda menyumbang angka tegangan maju nominalnya, itulah sebabnya dioda silikon dan germanium memiliki tegangan maju yang berbeda. Penurunan tegangan maju tetap kira-kira konstan untuk berbagai arus dioda, yang berarti bahwa penurunan tegangan dioda tidak seperti pada resistor atau bahkan sakelar normal (tertutup). Untuk sebagian besar analisis rangkaian yang disederhanakan, penurunan tegangan melintasi dioda konduktor dapat dianggap konstan pada angka nominal dan tidak terkait dengan jumlah arus.

Persamaan Dioda

Sebenarnya, penurunan tegangan maju lebih kompleks. Persamaan menggambarkan arus yang tepat melalui dioda, mengingat tegangan turun melintasi persimpangan, suhu persimpangan, dan beberapa konstanta fisik. Hal ini umumnya dikenal sebagai persamaan dioda :

Istilah kT/q menggambarkan tegangan yang dihasilkan dalam sambungan P-N karena aksi suhu, dan disebut tegangan termal , atau Vt dari persimpangan. Pada suhu kamar, ini sekitar 26 milivolt. Mengetahui hal ini, dan dengan asumsi koefisien “nonidealitas” 1, kita dapat menyederhanakan persamaan dioda dan menulis ulang sebagai berikut:

Anda tidak perlu terbiasa dengan "persamaan dioda" untuk menganalisis rangkaian dioda sederhana. Pahami saja bahwa tegangan jatuh pada dioda penghantar arus tidak berubah dengan jumlah arus yang melaluinya, tetapi perubahan ini cukup kecil pada berbagai arus. Inilah sebabnya mengapa banyak buku teks hanya mengatakan penurunan tegangan pada dioda semikonduktor konduktor tetap konstan pada 0,7 volt untuk silikon dan 0,3 volt untuk germanium.

Namun, beberapa sirkuit dengan sengaja menggunakan hubungan arus/tegangan eksponensial yang melekat pada sambungan P-N dan dengan demikian hanya dapat dipahami dalam konteks persamaan ini. Selain itu, karena suhu merupakan faktor dalam persamaan dioda, sambungan P-N bias maju juga dapat digunakan sebagai perangkat penginderaan suhu, dan dengan demikian hanya dapat dipahami jika seseorang memiliki pemahaman konseptual tentang hubungan matematis ini.

Operasi Bias Terbalik

Dioda dengan bias mundur mencegah arus melewatinya, karena daerah penipisan yang diperluas. Pada kenyataannya, sejumlah kecil arus dapat dan benar-benar melewati dioda dengan bias mundur, yang disebut arus bocor , tetapi dapat diabaikan untuk sebagian besar tujuan.

Kemampuan dioda untuk menahan tegangan bias balik terbatas, seperti halnya untuk isolator apa pun. Jika tegangan bias balik yang diterapkan menjadi terlalu besar, dioda akan mengalami kondisi yang dikenal sebagai breakdown (gambar di bawah), yang biasanya merusak.

Peringkat tegangan bias balik maksimum dioda dikenal sebagai Tegangan Terbalik Puncak , atau PIV , dan dapat diperoleh dari pabrikan. Seperti tegangan maju, peringkat PIV dioda bervariasi dengan suhu, kecuali bahwa PIV meningkat dengan peningkatan suhu dan menurun saat dioda menjadi lebih dingin—persis berlawanan dengan tegangan maju.

Kurva dioda:menunjukkan lutut pada bias maju 0,7 V untuk Si, dan kerusakan terbalik.

Biasanya, peringkat PIV dari dioda "penyearah" generik setidaknya 50 volt pada suhu kamar. Dioda dengan peringkat PIV dalam ribuan volt tersedia dengan harga terjangkau.

TINJAUAN:

• Sebuah dioda adalah komponen listrik yang bertindak sebagai katup satu arah untuk arus.
• Bila tegangan diterapkan pada dioda sedemikian rupa sehingga dioda memungkinkan arus, dioda dikatakan bias maju .
• Bila tegangan diterapkan pada dioda sedemikian rupa sehingga dioda menahan arus, dioda dikatakan bias mundur .
• Tegangan yang dijatuhkan pada dioda konduktor yang dibias maju disebut tegangan maju . Tegangan maju untuk dioda hanya sedikit berbeda untuk perubahan arus maju dan suhu, dan ditentukan oleh komposisi kimia sambungan P-N.
• Dioda silikon memiliki tegangan maju sekitar 0,7 volt.
• Dioda Germanium memiliki tegangan maju sekitar 0,3 volt.
• Tegangan bias balik maksimum yang dapat ditahan oleh dioda tanpa "rusak" disebut Tegangan Balik Puncak , atau PIV peringkat.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Penyearahan Dioda
• Lembar Kerja PN Junctions